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宾州州立大学的材料科学家称，这证明了一种新的能力，即能够生长一种称为复合氧化物的重要材料的薄膜的新能力，这将首次使这些材料具有商业可行性。

复合氧化物是晶体，其成分通常由氧气和至少两种其他不同元素组成。复合氧化物以其晶体形式并取决于元素的组合，显示出范围广泛的特性。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程，化学与物理学副教授Roman Engel-Herbert表示：“复合氧化物有时被称为功能材料，因为它们实际上对任何事物都有好处。”

他的研究小组针对的特定复合氧化物称为钙钛矿氧化物。该材料的晶体结构(原子的排列)包含两个带正电的离子，几乎可以用元素周期表中几乎所有形成正带电的离子的元素取代。根据被取代的原子类型，研究人员能够获得他们感兴趣的任何特性，包括磁性，铁电性，热释电性和压电性，即感应和响应热以及将电转变为机械运动的能力，反之亦然。 ，甚至超导。

到目前为止，由于非常慢的生长速度或缺乏化学计量控制，即保持晶体中带正电的离子的数量处于正确的比例，已经限制了将这些材料用作电子和传感器薄膜的能力。更加麻烦的是，到目前为止，还没有找到在商业上可行的集成策略将这些功能性氧化物与现有的半导体技术以可扩展且在商业上可行的方式相结合。

恩格尔-赫伯特说：“为了使工业利用我们在复杂氧化物研究领域所目睹的重大突破，我们必须以某种方式使用与现有工业制造工艺兼容的技术将这些薄膜集成到器件中。”“要做到这一点，您不仅需要在其上可以生长薄膜的正确衬底，还需要确保衬底足够大以将技术转化为工业规模。尽管这种衬底尚不存在，但现在已经有了弥合这一差距的前进之路。”

为了解决这个问题，恩格尔-赫伯特(Engel-Herbert)小组在硅晶片的顶部生长了厚厚的复合氧化物层。该厚层有时被称为“虚拟衬底”，在结构和化学上与目标复合氧化物薄膜层兼容，从而模仿了真实的本体氧化物衬底的功能。这种材料策略不仅需要精确控制生长条件，以确保结构上完美的虚拟底物可以用作

该平台可以直接在硅上集成功能性氧化膜，而且还具有足够快的生长速度。尽管该方法在半导体科学领域已被广泛确立，但从未应用于复合氧化物。其发展的主要障碍是复合氧化物薄膜的生长速度极慢，约为每分钟四埃，即十分之一纳米。以这样的缓慢速度，足够厚的复合氧化物层的生长将需要五至六小时。

“如果要使用虚拟基板代替传统的块状单晶基板，则需要更高的增长率。我们的突破表明，我们现在可以将此时间从几小时减少到几分钟，同时保持完美的控制关于材料的质量。”恩格尔·赫伯特(Engel-Herbert)说。

该小组成功地证明了每秒约2埃的增长率。他们的结果进一步表明，甚至更高的增长率也是可能的，这为该功能性材料与硅的商业可行的集成策略铺平了道路。

他说：“到目前为止，只使用了3英寸的硅晶片，但这只是因为我们实验室中的生长室并未布置成能够处理更大的硅晶片。”“没有理由不能在10英寸的商用硅晶圆上做到这一点。”

除了更快的生长速度外，另一个好处是大大降低了生产氧化物基材的成本。由于价格仅是目前可用的块状氧化物衬底成本的一小部分，研究人员也将从中受益，这将导致更复杂的氧化物薄膜实验，从而使该领域的研究更加迅速。由于功能性复合氧化物的特性涉及面很广，因此可扩展的复合氧化物虚拟衬底可以从中受益并受益匪浅：从基于超导量子位的量子计算机，传感器，致动器和微机电系统(MEMS)到现在，对5G网​​络中未来广播频率标准中考虑的敏捷设备进行频率调整的方法。

该论文的其他作者是Ph.D.，该论文在线发表于《自然通讯》上，题为“缩放硅上钙钛矿氧化物虚拟衬底的生长速率”。学生和主要作者Jason Lapano，前博士后学者Matthew Brahlek，前研究生Lei Zhang，现任博士学位。学生Joseph Roth和现任博士后学者Alexej Pogrebnyakov。